JP7150589B2 - アクチュエータ装置およびこれを用いた移動機構、装備品 - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータ装置およびこれを用いた移動機構、装備品に関する。

例えば特許文献１などに、従来のアクチュエータが記載されている。同文献の図９に記
載の技術では、駆動力を出力する出力部（同文献における電動人工筋肉）と、駆動力が入
力される入力部（同文献における足部）と、が設けられる。

特許第３９７６１２９号公報

同文献に記載の技術では、出力部と入力部とが別々に（独立して）構成される。そのた
め、各部の小型化に限界があり、さらなる小型化が望まれる。

したがって、複数のアクチュエータを備えたアクチュエータ装置およびこれを用いた移動機構、装備品においても、さらなる小型化が望まれている。

本発明は、従来よりも小型化できるアクチュエータ装置およびこれを用いた移動機構、装備品を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、第１発明に係るアクチュエータ装置は、第１固定子と、第１可動子と、第２固定子と、第２可動子と、可動子接続部と、を有したアクチュエータを複数備える。前記第１可動子は、前記第１固定子に移動可能に取り付けられ、前記第１固定子に対して駆動される。前記第２可動子は、前記第２固定子に移動可能に取り付けられ、前記第２固定子に対して駆動される。前記可動子接続部は、前記第１可動子と前記第２可動子との間で力を伝達可能に、前記第１可動子と前記第２可動子とを接続する。そして、前記各アクチュエータが有した前記第１固定子どうしが結合される。また、前記各アクチュエータが有した前記第２固定子どうしが結合される。

また、第２発明に係るアクチュエータ装置は、第１固定子と、第１可動子と、第２固定子と、第２可動子と、可動子接続部と、固定子接続部と、を有したアクチュエータを複数備える。前記第１可動子は、前記第１固定子に移動可能に取り付けられ、前記第１固定子に対して駆動される。前記第２可動子は、前記第２固定子に移動可能に取り付けられ、前記第２固定子に対して駆動される。前記可動子接続部は、前記第１可動子と前記第２可動子との間で力を伝達可能に、前記第１可動子と前記第２可動子とを接続する。前記固定子接続部は、前記第１固定子に対して前記第２固定子が回転と伸縮が可能となるように、前記第１固定子と前記第２固定子とを接続する。

上記各構成により、アクチュエータ装置を従来よりも小型化できる。

第１実施形態のアクチュエータ装置（３つのアクチュエータで構成）の模型を示す図である。 図１Ａに示すアクチュエータ装置が曲がった状態を示す図である。 第２実施形態のアクチュエータ装置１０１（２つのアクチュエータで構成）を示す図である。 図２Ａに示す第１駆動部１０を示す図であり、第１可動子１３が電機子１５の場合の図である。 図２Ａに示す第１駆動部１０を示す図であり、第１可動子１３が磁極子１７の場合の図である。 図２Ａに示すアクチュエータ装置１０１が曲がった状態を示す図である。 図２Ａに示すアクチュエータ装置１０１が伸びた状態を示す図である。 第３実施形態のアクチュエータ装置２０１（２つのアクチュエータで構成）を示す図である。 図３Ａに示すアクチュエータ装置２０１が伸びた状態を示す図である。 第４実施形態の歩行機構（アクチュエータ装置１０１で構成）を示す図である。

（第１実施形態）
図１Ａおよび図１Ｂを参照して、第１実施形態のアクチュエータ装置の概要について、模型を用いて説明する。

図１Ａに示すように、アクチュエータ装置は、第１固定子１１と、第１可動子１３と、第２固定子２１と、第２可動子２３と、可動子接続部３０と、を有したアクチュエータを複数（例えば、３つ）備える。

第１可動子１３は、第１固定子１１に移動可能に取り付けられ、第１固定子１１に対して駆動される。第２可動子２３は、第２固定子２１に移動可能に取り付けられ、第２固定子２１に対して駆動される。可動子接続部３０は、第１可動子１３と第２可動子２３との間で力を伝達可能に、第１可動子１３と第２可動子２３とを接続する。そして、各アクチュエータが有した第１固定子１１どうしが結合される。また、各アクチュエータが有した第２固定子２１どうしが結合される。

また、第１駆動部１０は、第１固定子１１に対して第１可動子１３が駆動されるものであり、第２駆動部２０は、第２固定子２１に対して第２可動子２３が駆動されるものである。また、第１、第２駆動部１０、２０は、例えば、電動アクチュエータ（詳細は、後記図２を用いて説明する）で構成される。

図１Ｂは、第１駆動部１０に対して第２駆動部２０が、右側に回転した状態（すなわち、図１Ａに示すアクチュエータ装置が曲がった状態）を示す。

したがって、このようなアクチュエータを複数備えたアクチュエータ装置は、例えば、歩行機構、搬送機構、または、輸送機構のいずれかを構成する、従来よりも小型化な移動機構として、好適である。また、装備品（例えば、パワードスーツや義足）への利用を想定した場合、装備する人の体格に合わせて調節する関節機構を、別途装置を追加することなく構成できる（実現できる）ため、従来よりも装備品の小型化が可能である。

（第２実施形態）
図２Ａ～図２Ｅを参照して、第２実施形態のアクチュエータ装置について説明する。本実施形態においては、図１Ａに示すアクチュエータ装置におけるアクチュエータの数が２つの場合を例に説明する。

図２Ａに示すように、アクチュエータ装置１０１は、２つのアクチュエータ１０１ａ（すなわち、第１アクチュエータ１０１ａ１と第２アクチュエータ１０１ａ２）を備える。また、第１固定子１１に対する第１可動子１３の移動方向を、Ｘ１方向とする。Ｘ１方向において、第１可動子１３から可動子接続部３０に向かう側をＸ１ａ側とし、その逆側をＸ１ｂ側とする。第２固定子２１に対する第２可動子２３の移動方向を、Ｘ２方向とする。Ｘ２方向において、第２可動子２３から可動子接続部３０に向かう側をＸ２ａ側とし、その逆側をＸ２ｂ側とする。紙面に垂直な方向を、Ｙ方向とする。Ｘ１方向およびＹ方向のそれぞれに直交する方向を、Ｚ方向とする。Ｚ方向において、２つの可動子接続部３０の間から第１アクチュエータ１０１ａ１の第１可動子１３（さらに詳しくは第１可動子１３のＺ方向における位置）に向かう側をＺａ側とし、その逆側をＺｂ側とする。２つの可動子接続部３０の中間点（図示せず）まわりの回転方向をＲ２方向とする。Ｘ１ａ側とＸ２ｂ側とが同じ向きの状態（図２Ａに示すような状態）から、２つの可動子接続部３０の中間点を中心としてＺａ側に移動するように第２駆動部２０が回転するときの、第２駆動部２０の回転の向きを、Ｒ２方向におけるＲ２ａ側とする。Ｒ２方向において、Ｒ２ａ側の逆側を、Ｒ２ｂ側とする。

図２Ａにおいて、第１固定子１１から第１可動子１３に向かう向きは、第１アクチュエータ１０１ａ１と第２アクチュエータ１０１ａ２とで互いに逆向きであり（すなわち、図２Ａの紙面上では左右逆向きであり）、互いに逆向きでなくてもよい。以下では、第１固定子１１から第１可動子１３に向かう向きが、第１アクチュエータ１０１ａ１と第２アクチュエータ１０１ａ２とで互いに逆向きである場合について説明する。

２つのアクチュエータ１０１ａの第１駆動部１０は、次のように構成される。２つのア
クチュエータ１０１ａの第１固定子１１どうしは、互いに接続される。したがって、第１固定子１１どうしが接続されない場合に比べ、アクチュエータ装置１０１を小型化できる。２つのアクチュエータ１０１ａの第１固定子１１どうしは、図２Ａに示す例のように直接的に接続（一体的に構成される場合を含む）されてもよく、部材（図示なし）を介して間接的に接続されてもよい。２つのアクチュエータ１０１ａの第１可動子１３の移動方向（Ｘ１方向）は、互いに平行である。２つのアクチュエータ１０１ａの第１可動子１３は、いわばパラレルリンク機構を構成する。図２Ｂに、第１固定子１１が磁極子１７であり、第１可動子１３が電機子１５である場合の例を示す。図２Ｃに、第１固定子１１が電機子１５であり、第１可動子１３が磁極子１７である場合の例を示す。なお、図２Ｂおよび図２Ｃでは、電機子１５のコイルを省略した。この場合、第１駆動部１０は、電動アクチュエータとしての例えばブラシレスモータや誘導モータなどである。第１駆動部１０がブラシレスモータである場合は、ブラシを用いた場合に比べ、整備性を向上させることができる。

また、第２駆動部２０は、図２Ａに示すように、第１駆動部１０と同様に構成される。すなわち、第２駆動部２０は、第２固定子２１と、第２可動子２３と、を備える。そして、２つのアクチュエータ１０１ａの第２固定子２１どうしは、互いに接続される。したがって、第２固定子２１どうしが接続されない場合に比べ、アクチュエータ装置１０１を小型化できる。２つのアクチュエータ１０１ａの第２固定子２１どうしは、図２Ａに示す例のように直接的に接続（一体的に構成される場合を含む）されてもよく、部材（図示なし）を介して間接的に接続されてもよい。第２可動子２３は、第２固定子２１に移動可能に取り付けられ、第２固定子２１に対して駆動される。また、第１、第２駆動部１０、２０は、それぞれ電動アクチュエータとしてのリニアモータであるとも考えられる。このように、リニアモータを用いる場合の利点は、ダイレクトドライブであることからバックドライバビリティ性の向上にある。さらに、バックドライバビリティ性が向上するため、例えば、協業ロボットのような人の近傍での作業においては、人との接触を検出し、接触したことに対応して駆動することに有利になる。また、ダイレクトドライブは、本質的に非接触で各可動子（例えば、第１可動子１３、第２可動子２３）へ力を伝達するため、外乱により各可動子へ衝撃が加わっても、各可動子が動く（位置を機械的に固定されていない）ことで、機器の損傷を避けることができる。ここでは、リニアモータを例に説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。たとえば、回転電動機とボールネジもしくはピニオンギアを用いることも可能である。この場合は、リニアモータよりも安価に構成可能であるとともに、低速大推力を容易に実現可能であるというメリットもある。

可動子接続部３０は、第１可動子１３と第２可動子２３との間で力を伝達可能に、第１可動子１３と第２可動子２３とを接続する。可動子接続部３０は、第１可動子１３と第２可動子２３とを１以上の自由度で接続する。可動子接続部３０は、例えば、第１可動子１３に対して第２可動子２３が回転可能となるように、第１可動子１３と第２可動子２３とを接続する（可動子接続部３０は関節である）。可動子接続部３０は、例えばユニバーサルジョイント（自在継手）でもよく、ピロボールでもよく、球体関節でもよい。

また、図２Ａに示す第１駆動部１０は、出力部と入力部とを兼ねる。その詳細は次の通りである。第１駆動部１０が駆動すると、第１固定子１１に対して第１可動子１３が駆動し、この駆動力が可動子接続部３０および第２可動子２３を介して、第２固定子２１に伝わり、第１固定子１１に対して第２固定子２１が移動（例えば回転）する。よって、第１駆動部１０は、第２駆動部２０に駆動力を出力する、出力部である。また、第２駆動部２０が駆動すると、第２固定子２１に対して第１固定子１１が移動（例えば回転）する。よって、第１駆動部１０は、第２駆動部２０の駆動力が入力される入力部でもある。よって、第１駆動部１０は、出力部と入力部とを兼ねる。よって、第１駆動部１０で、出力部と入力部とが別々に設けられる場合に比べ、アクチュエータ１０１ａを小型化できる。アクチュエータ１０１ａを小型化できる結果、アクチュエータ装置１０１も小型化および軽量化できる。また、第１駆動部１０と同様に、第２駆動部２０も、出力部と入力部とを兼ねる。よって、アクチュエータ１０１ａを、より小型化および軽量化できる。したがって、アクチュエータ装置１０１を、より小型化および軽量化できる。さらに、第１固定子１１と第２固定子２１との間には、第１固定子１１と第２固定子２１とを接続する固定子接続部を有していないため、アクチュエータ１０１ａとしても、アクチュエータ装置１０１としても構成がシンプルとなる。

図２Ｄに示すように、第１アクチュエータ１０１ａ１では、第１可動子１３はＸ１ｂ側に移動し、第２可動子２３はＸ２ｂ側に移動する。また、第２アクチュエータ１０１ａ２では、第１可動子１３はＸ１ａ側（第１アクチュエータ１０１ａ１の第１可動子１３の移動と逆側）に移動し、第２可動子２３はＸ２ａ側（第１アクチュエータ１０１ａ１の第２可動子２３の移動と逆側）に移動する。すると、第１固定子１１と第２固定子２１とを接続する固定子接続部が無くても、第２固定子２１がＲ２ａ側に回転する機能を実現できる。このように、２つ（複数）のアクチュエータ１０１ａを備えたアクチュエータ装置１０１は、回転動作を実現できる。

図２Ｅは、図２Ａに示すアクチュエータ装置１０１が伸びた状態を示す図である。図２Ｅに示すように、第１アクチュエータ１０１ａ１では、第１可動子１３はＸ１ａ側に移動し、第２可動子２３はＸ２ａ側に移動する。また、第２アクチュエータ１０１ａ２でも、第１可動子１３はＸ１ａ側に移動し、第２可動子２３はＸ２ａ側に移動する。すると、図２Ｅに示すように、第１固定子１１と第２固定子２１の間の距離が、図２Ａに示す第１固定子１１と第２固定子２１の間の距離よりも、伸びた状態を実現できる。図示はしないが、第１固定子１１と第２固定子２１とを接続する固定子接続部を有しないため、第１固定子１１と第２固定子２１の間の距離が、図２Ａに示す第１固定子１１と第２固定子２１の間の距離よりも、収縮した状態を実現できる。このように、２つ（複数）のアクチュエータ１０１ａを備えたアクチュエータ装置１０１は、伸縮動作も実現できる。したがって、アクチュエータ装置１０１は、自由度が高いアクチュエータ装置を実現できる。

（第３実施形態）
図３Ａおよび図３Ｂを参照して、第３実施形態のアクチュエータ装置２０１の概要について説明する。なお、本実施形態においては、専ら第２実施形態との相違点を説明する。また、本実施形態において、第２実施形態と同一の構成要素には、同一番号を付して詳細な説明を省略する。

図３Ａに示すように、アクチュエータ装置２０１は、２つ（複数）のアクチュエータ２０１ａを備えている。しかし、第１アクチュエータ２０１ａ１の第１固定子１１と第２アクチュエータ２０１ａ２の第１固定子１１とは、互いに接続されていない。すなわち、アクチュエータ装置２０１では、２つのアクチュエータ２０１ａの第１固定子１１どうしは、互いに接続されていない。同様に、第１アクチュエータ２０１ａ１の第２固定子２１と第２アクチュエータ２０１ａ２の第２固定子２１とは、互いに接続されていない。すなわち、アクチュエータ装置２０１では、２つのアクチュエータ２０１ａの第２固定子２１どうしは、互いに接続されていない。ただし、第１アクチュエータ２０１ａ１の第１固定子１１に対して第１アクチュエータ２０１ａ１の第２固定子２１が回転と伸縮が可能となるように、第１固定子１１と第２固定子２１とが固定子接続部４０（例えば、バネ、ゴム等の弾性体）で接続されている。同様に、第２アクチュエータ２０１ａ２の第１固定子１１に対して第２アクチュエータ２０１ａ２の第２固定子２１が回転と伸縮が可能となるように、第１固定子１１と第２固定子２１とが固定子接続部４０（例えば、バネ、ゴム等の弾性体）で接続されている。また、固定子接続部４０が弾性体であるため、原点を固定できる（すなわち、電源ｏｆｆで初期位置に戻る）。

図３Ｂは、図３Ａに示すアクチュエータ装置２０１が伸びた状態を示す図である。固定子接続部４０が弾性体であるため、第１固定子１１と第２固定子２１の間の距離が、図３Ａに示す第１固定子１１と第２固定子２１の間の距離よりも、伸びた状態を実現できる。図示はしないが、固定子接続部４０が弾性体であるため、第１固定子１１と第２固定子２１の間の距離が、図３Ａに示す第１固定子１１と第２固定子２１の間の距離よりも、収縮した状態を実現できる。このように、２つ（複数）のアクチュエータ２０１ａを備えたアクチュエータ装置２０１は、伸縮動作を実現できる。また、図示はしないが、第２固定子２１がＲ２ａ側に回転する機能を実現できる。このように、２つ（複数）のアクチュエータ２０１ａを備えたアクチュエータ装置２０１は、回転動作も実現できる。アクチュエータ装置２０１のような構成を採用することで、アクチュエータ装置１０１と同様の動作を実現できる。また、駆動範囲を制約するような弾性体製の固定子接続部４０と可動子接続部３０（関節）を有したアクチュエータ装置２０１を関節機構として構成する装備品（たとえば、パワードスーツ）に適用した場合、パワードスーツを装着した人の関節（腕や足の関節）を損傷しないように構成できる。すなわち、パワードスーツを装着した人の関節が曲がらない方向への駆動を制約することが可能になる。例えば、図１Ｂに示す第１実施形態のアクチュエータ装置（模型）の関節の回転角度を制約することも可能である。さらに、可動子接続部３０は、第１可動子１３と第２可動子２３との間の位置で折り曲げ可能に構成されるが、紙面手前または奥側への回動を制約することも可能である。パワードスーツに本アクチュエータ装置２０１を採用することで、装備する人の体格に合わせて調節する関節機構を、別途装置を追加することなく構成できる。具体的には、第１固定子１１を人の上腕側に装備する場合、腕の長さに個人差があることから、アクチュエータ装置２０１の回動部と肘関節、または、第２固定子２１と人の前腕の長さが一致しない場合が考えられる。この際、アクチュエータ２０１ａを伸縮させることで、第１固定子１１からアクチュエータ装置２０１の回動部、または、アクチュエータ装置２０１の回動部から第２固定子２１の距離を変化させることで、装備者の身体に合わせた調節が可能となる。

なお、本実施形態においては、パワードスーツの関節機構に、アクチュエータ装置２０１を採用する例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、上述したアクチュエータ装置１０１によっても構成可能である。

（第４実施形態）
図４を参照して、第４実施形態の歩行機構の概要について説明する。本実施形態は、図２に示したアクチュエータ装置１０１によって、構成された移動機構としての歩行機構に関するものである。すなわち、この歩行機構は、アクチュエータ装置１０１が有する機能（回転動作および伸縮動作）の応用として実現されている。よって、本実施形態においては、図２に示したアクチュエータ装置１０１の構成要素には、同一番号を付して詳細な説明を省略する。

歩行機構としての基本動作を図４（ａ）～図４（ｄ）を用いて、説明する。

図４（ａ）は、アクチュエータ装置１０１が、基本ポジションの状態にある場合を示す。すなわち、アクチュエータ装置１０１が、回転動作も伸縮動作も行っておらず、第２固定子２１が地面に接地している状態を示す。

図４（ｂ）は、アクチュエータ装置１０１の第２固定子２１が紙面左側に回転（図２Ａに示すＲ２ｂ側に回転）する動作を行なうことで、第２固定子２１によって、地面を後方に蹴る状態を示す。

図４（ｃ）は、アクチュエータ装置１０１の第２固定子２１が、図４（ａ）に示す基本ポジションに戻るとともに、第１固定子１１に対して収縮する状態を示す。

図４（ｄ）は、アクチュエータ装置１０１の第２固定子２１が紙面右側に回転（図２Ａに示すＲ２ａ側に回転）するとともに、前方に伸びる状態を示す。

上記図４（ａ）～図４（ｄ）に示す一連の動作（回転動作および伸縮動作）が行なわれることで、アクチュエータ装置１０１によって歩行機構が実現される。また、このような歩行機構を有するアクチュエータ装置１０１を４つ（複数）備えることで、４足歩行を行うロボットの下半身部分を実現することも可能である。また、歩行機構以外にも、移動機構としての搬送機構や輸送機構を実現することも可能である。

なお、本実施形態においては、歩行機構、搬送機構、または、輸送機構のいずれかが構成された移動機構に、アクチュエータ装置１０１を採用する例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、上述したアクチュエータ装置２０１によっても構成可能である。

また、第２実施形態～第４実施形態においては、２つのアクチュエータを備えたアクチュエータ装置を例に説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、３つ以上のアクチュエータを備えたアクチュエータ装置を適用することも可能である。

（変形例）
また、上記実施形態は様々に変形されてもよい。例えば、互いに異なる実施形態の構成要素どうしが組み合わされてもよい。例えば、各構成要素の配置や形状が変更されてもよい。例えば、構成要素の数が変更されてもよく、構成要素の一部が設けられなくてもよい。例えば、構成要素どうしの固定や連結などは、直接的でも間接的でもよい。例えば、互いに異なる複数の構成要素として説明したものが、一つの部材や部分とされてもよい。例えば、一つの部材や部分として説明したものが、互いに異なる複数の部材や部分に分けて設けられてもよい。

１０ 第１駆動部
１１ 第１固定子
１３ 第１可動子
２０ 第２駆動部
２１ 第２固定子
２３ 第２可動子
３０ 可動子接続部
４０ 固定子接続部
１０１ａ、２０１ａ アクチュエータ
１０１、２０１ アクチュエータ装置

Claims (4)

1. 第１固定子と、
   前記第１固定子に移動可能に取り付けられ、前記第１固定子に対して駆動される第１可動子と、
   第２固定子と、
   前記第２固定子に移動可能に取り付けられ、前記第２固定子に対して駆動される第２可動子と、
   前記第１可動子と前記第２可動子との間で力を伝達可能に、前記第１可動子と前記第２可動子とを接続する可動子接続部と、
   を有したアクチュエータを複数備え、
   前記第１固定子に対して前記第１可動子が駆動されるものである第１駆動部、および前記第２固定子に対して前記第２可動子が駆動されるものである第２駆動部は、それぞれ、電動アクチュエータとしてのリニアモータであり、
   前記各アクチュエータが有した前記第１固定子どうしが直接的に接続され、
   前記各アクチュエータが有した前記第２固定子どうしが直接的に接続された、
   アクチュエータ装置。
2. 第１固定子と、
   前記第１固定子に移動可能に取り付けられ、前記第１固定子に対して駆動される第１可動子と、
   第２固定子と、
   前記第２固定子に移動可能に取り付けられ、前記第２固定子に対して駆動される第２可動子と、
   前記第１可動子と前記第２可動子との間で力を伝達可能に、前記第１可動子と前記第２可動子とを接続する可動子接続部と、
   前記第１固定子に対して前記第２固定子が回転と伸縮が可能となるように、前記第１固定子と前記第２固定子とを接続する固定子接続部と、
   を有したアクチュエータを複数備え、
   前記第１固定子に対して前記第１可動子が駆動されるものである第１駆動部、および前記第２固定子に対して前記第２可動子が駆動されるものである第２駆動部は、それぞれ、電動アクチュエータとしてのリニアモータである、
   アクチュエータ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のアクチュエータ装置によって、歩行機構、搬送機構、または、輸送機構のいずれかが構成された移動機構。
4. 請求項１または請求項２に記載のアクチュエータ装置によって、関節機構が構成された装備品。

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